KR20100120617A - 분리형 로터리 엔진_2 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종래의 실린더형 내연기관의 진동과 무게를 줄이고, 구조를 간단하게 하여 제작비를 절감함과 동시에 크랭크 축을 통하지 않고 직접 회전력을 발생시킴으로써 기계적인 효율을 증가시키고, 압축기와 힘 발생기를 분리하여 용도에 적합한 엔진의 설계가 용이한 분리형 로터리 엔진을 제안하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 원형으로 내부 단면형상을 만든 하우징, 그 하우징 내부 정중앙에서 한쪽은 하우징에 접촉하고 다른 한쪽은 하우징과 간격을 유지하며 편심 회전하는 원형, 타원형, 혹은 원형과 타원형을 조합하여 만든 형상의 로터, 한쪽은 하우징 상부에 힌지로 체결되고 다른 한쪽은 로터 외면에 접촉하여 힌지점을 중심으로 왕복 회전운동하며 로터 중심과 반대방향으로 최대 회전할 때 하우징의 힌지베인 홈 내부로 완전히 들어가 로터 회전에 방해가 되지 않는 블레이드 형상의 압축기 힌지베인으로 각각 구성된 압축기와 힘 발생기에, 일방향 체크밸브와 로터의 회전 위치에 따라 개폐가 조종되는 압축공기밸브 사이에서 고온고압의 압축공기를 저장하는 압축공기탱크, 상기 압축공기탱크에서 연소실로 압축공기가 방출된 후 연소실에 연료를 분사하는 연료노즐, 배기공간의 끝부분에서 연소가스를 엔진 밖으로 배출하는 가스배기구, 그리고 압축기의 공기 흡입공간의 선단에서 밖의 공기가 유입되는 통로인 공기흡입구를 설치하여 엔진을 형성한 것이다. 본 발명의 엔진은 로터 1회전에 1번 연소하고, 로터가 하우징 내의 정중앙을 축으로 하여 회전하며, 연소가스의 팽창행정이 길어 로터리 엔진(반켈 엔진)보다 진동이 작고 엔진의 효율이 향상되며 또한, 압축기와 힘 발생기가 동일 회전축 상에 독립적으로 구성되어 각각의 크기 변경이 용이하므로 목적에 적합한 엔진 설계가 가능한 장점을 갖는다.

1 : 하우징 2 : 하우징 내면 3 : 로터 4 : 로터 외면 5 : 로터 회전축 6-1 : 흡입공간 6-2 : 압축공간 6-3 : 팽창공간 6-4 : 배기공간 7 : 연소실 8 : 연소실출구 9 : 힌지베인(hinged vane) 10 : 압축공기출구 11 : 체크밸브 12 : 압축공기탱크 13 : 압축공기밸브 14 : 연료조절장치 15 : 연료노즐 17 : 공기흡입구 18 : 가스배기구 19 : 로터접촉점 20 : 힌지점(hinge point)

Description

분리형 로터리 엔진_2{Separated Rotary Engine_Type II}

본 발명은 내부공간 단면의 대부분이 원형이지만 상부에 힌지베인(9)을 품을 수 있는 홈과 외부공기를 흡입하는 공기흡입구(17) 및 압축기에서 압축한 공기를 압축공기탱크로 보내기 위한 압축공기출구(10)를 갖는 압축기 하우징(1)과, 압축기 하우징(1) 내부 상부의 힌지점(20)을 한 끝으로 하고 다른 끝은 로터 외면(4)에 접촉하여 힌지점을 중심으로 왕복 회전운동하며, 로터(3)중심과 반대방향으로 최대 회전할 때 하우징(1)의 힌지베인(9) 홈 내부로 완전히 들어가 로터(3) 회전에 방해가 되지 않는 블레이드 형상의 압축기 힌지베인(9)과, 하우징 내부 원형공간의 중심을 축으로 하여, 한쪽은 로터접촉점에서 하우징 내면(2)에 선접촉(line contact)하고 나머지 부분은 하우징 내면(2)과 간격을 유지하며 편심 회전하는 원형, 타원형, 혹은 원형과 타원형을 조합하여 급작스런 변화 없이 부드럽게 연결된 곡선 형상의 단면을 갖는 로터(3)와, 하우징(1), 로터(3) 및 힌지베인(9) 측면의 공기 기밀을 보장하는 측면 판(side plates)으로 구성된 압축기와,

내부공간 단면의 대부분이 원형이지만 상부에 압축기에서 나온 공기를 연료가 자연착화 되는 온도의 압력으로 압축시킬 수 있는 부피를 갖는 움푹패인 연소실(7) 공간, 힌지베인(9')을 품을 수 있는 홈, 압축공기탱크(12)의 압축공기를 연소실(7)로 보내주는 연소실통로, 그리고 배기가스를 힘발생기 밖으로 배출해주는 가스배기구(18)를 갖는 힘발생기 하우징(1')과, 힘발생기 하우징(1') 내부 상부의 힌지점(20')을 한 끝으로 하고 다른 끝은 로터 외면(4')에 접촉하여 힌지점(2')을 중심으로 왕복 회전운동하며, 로터(3')중심과 반대방향으로 최대 회전할 때 하우징(1')의 힌지베인(9') 홈 내부로 완전히 들어가 로터(3') 회전에 방해가 되지 않으며 이때 연소실(7) 공간을 하우징 내부 공간과 차단하여 연소실(7)을 밀폐된 공간으로 만들어주는 블레이드 형상의 힘발생기 힌지베인(9')과, 하우징(1') 내부 원형공간의 중심을 축으로 하여, 한쪽은 로터접촉점(19)에서 하우징 내면(2')에 선접촉(line contact)하고 나머지 부분은 하우징 내면(2')과 간격을 유지하며 편심 회전하는 원형, 타원형, 혹은 원형과 타원형을 조합하여 급작스런 변화 없이 부드럽게 연결된 곡선 형상의 단면을 갖는 로터(3')와, 하우징(1'), 로터(3') 및 힌지베인(9') 측면의 공기 기밀을 보장하는 측면 판(side plates)으로 구성된 힘발생기를 로터 회전축(5)에 앞, 뒤로 배치한 구조이며,

상기 압축기의 공기 흡입공간(6-1)의 선단에서 공기흡입구(17)를 통해 흡입한 공기를 고온고압으로 압축하여 압축공간(6-2) 끝 부분에 설치된 압축공기출구(10)를 통해 일방향 체크밸브(11)와 로터의 회전 위치에 따라 개폐가 조종되는 압축공기밸브(13) 사이의 압축공기탱크(12)에 저장하고, 상기 로터와 상기 하우징이 접촉하는 로터접촉점(19)이 상기 하우징 내면(2‘) 최상부의 힌지점(20')을 통과할 때, 압축공기밸브(13)를 열어 힘발생기 하우징(1’) 내면의 움푹패인 공간과 힌지베인(9‘)에 의해 밀폐된 연소실(7)로 압축공기를 고속 방출하고, 압축공기의 연소실(7) 방 출이 완료되어 압축공기밸브(13)가 닫힌 후, 연소실(7)에 설치된 연료노즐(15)을 통해 연료를 분사하여 자연착화에 의한 연소를 발생시켜 힘발생기에서 동력이 발생되도록 하고, 상기 힘발생기의 배기공간(6-4)의 끝 부분에서 연소가스를 엔진 밖으로 배출하는 분리형 로터리 엔진에 관한 것이다.

이하 첨부되는 도면과 함께 종래 기술의 구성과 작동을 살펴보면 다음과 같다.

도 3(로우터리 엔진(Rotary engine), 출원번호 10-2007-0050149)은 원형으로 내부 단면형상을 만든 하우징과 그 하우징 내부 정중앙에서 한쪽은 하우징(4)에 접촉하고 반대쪽은 하우징과 간격을 유지하며 편심 회전하는 원형 단면의 로터(3), 그리고 공기압축과 연소가스 팽창시 누압을 방지하여 엔진의 압축 및 팽창행정을 완성시키는 날개밸브(vane valve)(8) 등으로 구성된다.

미국 특허인 Rotary engine(Patent Number 5,247,916)은 본 출원의 압축기에 해당하는 compression eccentric(20)과 힘 발생기에 해당하는 power eccentric(22), 그리고 힌지베인(hinged vane)(9, 9')의 역할을 하는 compression gate(72)와 power gate(66)로 구성되는 점에서 본 출원과 유사하다(도 4 참조).

이밖에도 칸막이식 로터리기관(출원번호 10-1990-0002393)과 오링형 로우터리 엔진(출원번호 10-1999-0063130) 등은 타원형 로터에 2개의 칸막이(밸브)를 적용하여 로터 1회전에 2번의 연소가 이루어지도록 한 점에서 차이가 있으나 로터의 한쪽이 하우징에 접촉하여 회전하면서 칸막이밸브(상기 날개밸브, compression gate, power gate 등과 동일 기능)와 상호 작용으로 공기를 압축하고 연소가스로부터 힘 을 받아 로터를 회전시키는 원리를 이용한다는 점에서 유사하다.

또한, 국내에서 특허출원된 로터리 엔진(출원번호 10-2003-0026624)이나 국제출원된 Hybrid Cycle Rotary Engine(출원번호 PCT/US2007/074980) 등은 상기 칸막이밸브(혹은 날개밸브) 대신 차단밸브(혹은 rocker)라는 왕복 회전밸브를 사용하며 이 회전밸브는 별도의 캠 장치 혹은 스프링의 힘에 의해 한쪽이 회전하는 로터에 밀착된다.

상기 배경기술에서 설명한 칸막이밸브(날개밸브 포함)을 이용하는 기존 발명들은 모두 로터의 한쪽이 하우징에 접촉하여 회전하면서 칸막이밸브(혹은 날개밸브)와의 상호 작용으로 공기를 압축하고 연소가스로부터 힘을 받아 로터를 회전시키는 원리를 이용한다. 하우징에 설치된 칸막이밸브는 고압의 압축공기 혹은 연소가스의 압력을 유지하기 위해 로터 외면과 밀접하게 접촉하여야 하며 또, 압력에 의한 벤딩모멘트(bending moment)에 견딜 수 있도록 충분한 강도를 갖추어야 한다.

도 3에서 날개밸브(8)가 벤딩모멘트(bending moment)를 이기는 충분한 강도를 갖기 위해서 날개밸브의 길이가 하우징(4)과 로터(3)사이의 최대 간극보다 최소한 2배 이상 길어야 하고 적절한 두께를 가져야 한다. 이러한 이유로 칸막이밸브(이하 날개밸브, compression gate, power gate를 통칭)는 불가피하게 적절한 중량을 유지해야 하고, 이 중량은 로터의 회전에 따라 매우 빠른 속도로 상하운동을 하는 칸막이밸브에 큰 관성력을 부여하고, 칸막이밸브가 관성력을 이기고 로터 외면에 항상 밀접히 접촉하도록 만들기 위해 매우 강력한 힘으로 칸막이밸브를 밀어주는 힘이 필요하게 한다. 칸막이밸브를 밀어주는 힘은 로터 회전속도의 제곱에 비례하여 커진다.

칸막이밸브의 길이가 상기 하우징과 로터사이의 최대 간극보다 최소한 2배 이상이 되어야 한다는 것과 칸막이밸브를 강력한 힘으로 밀어주는 장치가 필요하다는 것이 상기 [배경기술]에서 해결해야 하는 과제가 된다. 칸막이밸브의 길이가 길어지면 엔진의 크기가 그만큼 커지게 되어 엔진 단위 부피당 출력 감소를 초래하게 되며, 칸막이밸브를 밀어주는 강력한 힘을 제공하기 위해 필요한 매우 강력한 스프링은 그 무게나 부피가 엔진 전체의 무게와 부피 증가를 초래하므로 엔진이 커지고 무거워지는 원인이 된다.

또한, 배경기술에서 설명한 차단밸브(혹은 rocker)를 이용하는 기존 발명들은 하우징에 접촉하여 회전하는 로터의 한 면과 하우징 내면, 그리고 차단밸브의 한쪽 끝을 중심으로 회전하는 다른 한쪽 자유단 원주면을 이용하여 공기를 압축하고 연소가스로부터 힘을 받아 로터를 회전시키는 원리를 이용한다. 차단밸브(혹은 rocker)의 원주면을 이용하는 특성상 원주면의 길이가 하우징 내면과 로터 사이의 간격보다 길어야 하며 이는 차단밸브(혹은 rocker)의 높이를 높게 하여 차단밸브(혹은 rocker)의 무게와 하우징내 설치공간을 커지게 하고 차단밸브(혹은 rocker)가 로터에 긴밀히 접촉하게 하는데 필요한 힘을 키워주거나 별도의 안내장치를 만들어주어야 하는 문제를 야기한다.

위 [배경기술]에서 적용한 칸막이밸브(혹은 날개밸브, 차단밸브, rocker) 대신 도 1의 힌지베인(hinged vane)(9, 9')처럼 하우징(1, 1')내에서 힌지점(hinge point)(20, 20')을 중심으로 움직이는 블레이드 형상의 밸브를 적용하면 칸막이밸브(혹은 날개밸브, 차단밸브, rocker)를 적용함으로써 발생되는 여러 문제를 해결할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 힌지베인(hinged vane)(9, 9')은 한쪽은 하우징(1, 1') 내의 힌지점(hing point)(20, 20')에 장착되고 다른 쪽 자유단은 로터 외면(4, 4')에 접촉하여 로터의 회전에 따라 힌지점을 중심으로 상하 회전운동 하도록 고안되었다. 상기 힌지베인은 하우징 내면(2, 2')과 로터 외면(4, 4')사이의 최대 간극만큼만 상하로 움직이고 얇은 블레이드 형상을 갖기 때문에 상기 [배경기술]에서 요구되었던 부피가 큰 장착공간이 필요하지 않게 된다. 또, 압축공기와 연소가스의 압력은 힌지베인(hinged vane)(9, 9')의 자유단이 로터 외면(4, 4')에 긴밀히 접촉하도록 하는 방향으로 작용하므로 힌지베인(hinged vane)(9, 9')을 밀어주는 스프링이 별도로 필요하지 않아 스프링에 의한 무게나 부피의 증가가 유발되지 않는다.

이하 첨부되는 도면과 관련하여 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 작동 예를 살펴보면 다음과 같다.

압축기는 도 2-a, 2-b처럼 공기흡입구(17)에서 흡입된 공기를 로터(3)의 회전과 힌지베인(hinged vane)(9)의 협력으로 압축한 다음 압축공기출구(10)을 통하여 압축공기탱크(12)에 공급한다. 압축공기는 체크밸브에 의해 압축기로 역류가 차단되고 압축공기밸브(13)가 닫힌 상태에서 압축공기탱크(12)에 저장된다.

힘발생기의 하우징 내면(2')에 접촉하는 로터접촉점(19)이 하우징 내면(2') 최상부의 힌지점(hinge point)(20')을 통과하면서 힌지베인(ginged vane)(9')과 움푹패인 하우징 내면에 의해 밀폐된 연소실(7)이 만들어지며 압축공기밸브(13)가 열려 압축 공기탱크(12)의 공기가 밀폐된 연소실(7)로 급속 유입된다.

연소실(7)은 압축기에서 압축공기탱크(12)를 통해 공급되는 공기가 연소실(7)에 공급되는 연료를 자연 착화, 연소시킬 수 있는 온도에 도달하는 압축비를 갖도록 적절한 크기를 갖는다. 디젤유의 경우 압축비가 20 이상이 되도록 연소실의 크기를 정하여야 하나 연료에 따라 차연 착화되는 압축비가 다를 수 있으므로 연소실(7)의 크기는 연료에 따라 달라질 수 있다.

압축공기의 연소실(7) 유입이 완료된 후 압축공기밸브(13)가 닫히며 뒤이어 연소실(7)에 설치된 연료노즐에서 연료가 분사되며 분사된 연료는 연소실(7) 내의 고온고압 공기에 의해 자연 착화되어 연소된다. 발생된 고온 고압의 연소가스는 힌지베인(hinged vane)(9')이 로터 외면에 밀착 접촉되도록 힘을 가하고 로터(3')가 연소실 출구(8)을 지날 때 힌지베인(9')이 열어주는 연소실출구(8)을 통해 빠져나와 팽창공간(6-3)으로 들어가서 로터에 회전력을 전달한다.(도 2-d 참조) 회전하는 로터(3')는 배기공간(6-4)에 남아있는 배기가스를 가스배기기(18)를 통해 엔진 밖으로 밀어내며, 동일 로터 회전축(5)에 설치된 압축기의 로터(3)를 회전시켜 압축공간(6-2)에 있는 공기를 압축시킨다.

힌지베인(hinged vane)(9, 9')은 압축공기와 연소가스에 의해 로터 외면(4, 4')에 밀착 접촉되도록 힘을 받으므로 힌지베인(hinged vane)(9, 9')을 로터 외면(4, 4’)에 밀어주기 위한 스프링과 같은 별도의 장치가 필요하지 않다. 다만 압축공기와 연소가스의 압력 급격히 저하된 순간 즉, 압축기 로터(3)의 로터접촉점이 힌지점(20)과 공기흡입구(17) 사이에 위치할 때와 힘 발생기에서 로터(3')의 로터접촉 점(19)이 가스배기구(18)와 힌지점(20') 사이에 위치할 때에는 힌지베인(hinged vane)(9, 9')을 로터(3, 3')에 밀어주는 힘이 미약하여 스프링에 의한 별도의 장치가 필요할 수도 있다. 그러나 이때에도 압축기의 경우 본격적인 압축행정에 들어가기 전이며, 힘 발생기의 경우 힌지베인(hinged vane)(9')이 회전하는 로터(9')에 의해 들려 올리어져 연소실(7)을 밀폐하기 시작한 상태이므로 스프링과 같은 별도 장치가 없어도 엔진작동이나 성능에 지장을 주지 않는다.

도 1은 본 발명의 대표도이며 분리형 로터리 엔진이다.

도 2는 분리형 로터리 엔진에서 로터(3) 회전위치에 따른 엔진 구성품의 작동을 보여주는 설명도 이다.

도 3는 본 발명의 배경기술인 로우터리 엔진(Rotary engine), 출원번호 10-2007-0050149)의 대표도이다.

도 4는 본 발명의 배경기술인 미국 특허 Rotary engine(Patent Number 5,247,916)의 대표도이다.

Claims (1)

1. 원형으로 내부 단면형상을 만든 하우징(1, 1')과,

   상기 하우징 내부에서 한쪽은 하우징에 접촉하고 다른 한쪽은 하우징과 간격을 유지하며 편심 회전하는 로터(3, 3')와,

   한쪽은 상기 하우징의 일측에 힌지로 체결되고 다른 한쪽은 회전하는 상기 로터(4,4')에 접촉하여 작동되는 힌지베인(9, 9')을 포함하여 각각 구성된 압축기와 힘 발생기를 로터 회전축(5)에 앞, 뒤로 배치하여,

   압축기의 공기흡입구(17)를 통해 흡입한 공기는 고압으로 압축하여 압축공기출구(10)를 통해 힘발생기로 보내고, 힘발생기에서는 압축기로부터 공급된 압축공기와 별도의 연료분사장치를 통해 공급된 연료를 연소실에 공급하여 함께 연소시켜 힘발생기에서 동력을 생산하고, 연소가스는 엔진 밖으로 배출하는 분리형 로터리엔진에 있어서,

   상기 압축기와 상기 힘발생기의 사이에는 일방향 체크밸브(11)와 압축공기탱크(12) 그리고 로터의 회전 위치에 따라 개폐가 조종되는 압축공기밸브(13)가 배치되며,

   상기 로터(3, 3')는 원형, 타원형, 혹은 원형과 타원형을 조합하여 만들어지는 형상이고,

   상기 힌지베인(9, 9')은 블레이드 형상으로 형성되어, 압축과 팽창과정에서 상기 힌지베인의 양면에 작용하는 유체압력의 차이에 의해 상기 로터에 긴밀히 접촉되도 록 배치되며,

   상기 연소실(7)은 힘발생기 하우징 일측면의 움푹패인 면과 힌지베인의 일면에 의해 만들어지는 밀폐된 공간으로 형성되고,

   연소실(7)은 압축기에서 압축공기탱크(12)를 통해 공급되는 공기가 연소실(7)에 공급되는 연료를 자연 착화, 연소시킬 수 있는 온도에 도달하는 압축비를 갖도록 적절한 크기를 갖으며,

   상기 압축기의 공기 흡입공간(6-1)의 선단에서 공기흡입구(17)를 통해 흡입한 공기를 고압으로 압축하여 압축공간(6-2) 끝 부분에 설치된 압축공기출구(10)를 통해 일방향 체크밸브(11)와 로터의 회전 위치에 따라 개폐가 조종되는 압축공기밸브(13) 사이의 압축공기탱크(12)에 저장하고,

   상기 로터와 상기 하우징이 접촉하는 로터접촉점(19)이 상기 하우징 내면(2') 최상부의 힌지점(20')을 통과할 때, 상기 압축공기밸브(13)를 열어 상기 연소실(7)로 압축공기를 고속 방출하고,

   압축공기의 연소실(7) 방출이 완료되어 압축공기밸브(13)가 닫힌 후, 연료노즐(15)을 통해 연료가 연소실(7)에 분사되면 연소가 일어나 힘발생기에서 동력이 발생되도록 하고,

   상기 힘발생기의 배기공간(6-4)의 끝 부분에서 연소가스를 엔진 밖으로 배출하는 분리형 로터리 엔진

Images